CN109650548B - 一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于水污染处理与能源回收领域，更具体地，涉及一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其在处理生活垃圾渗滤液中的应用，在降解生活垃圾渗滤液的同时，产生电能和藻生物质。将耗氧生物膜层固定在MFC的阳极和阴极之间，藻生物膜位于阴极与耗氧生物膜层之间，通过耗氧生物膜层消除微藻和微生物燃料电池的拮抗作用，发挥两者的协同作用，形成微藻和MFC耦合系统。该系统在12h对10％生活垃圾渗滤液的COD降解效率达到87.47％，氨氮降解率达到81.50％。

Description

一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其应用

技术领域

本发明属于水污染处理与能源回收领域，更具体地，涉及一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其在处理生活垃圾渗滤液中的应用，在降解生活垃圾渗滤液的同时，产生电能和藻生物质。

背景技术

随着经济的增长和国民生活水平的提升，城镇及乡村地区的生活垃圾产生量逐年递增，其中卫生填埋是目前成本较低，采用较广泛的生活垃圾处理处置技术。生活垃圾渗滤液是卫生填埋过程中从填埋区渗滤出来的液体，含有各种有机有毒污染物，主要特点是有机物、氨氮和离子含量高，总磷含量低，含有重金属及致病菌，在排入环境前必须进行达标处理。生活垃圾渗滤液被认为是目前最难处理的有机废水之一，国内外关于生活垃圾渗滤液的研究已有多年，目前主要采用的方法包括：与生活废水协同处理、生活垃圾渗滤液回灌填埋场、臭氧氧化、吸附法、膜处理以及生物法等。随着未来技术的成熟，生物法被认为是未来最具成本效应和可重复使用的方法。

微生物燃料电池利用附着于阳极的微生物群落(生物膜)，将有机底物进行生物降解，最终降解产物为水和二氧化碳。在此生物反应过程中产生的电子通过阳极及外电路到达阴极，产生的质子通过溶液传递到阴极，最终在阴极发生还原反应从而形成电流。因此，微生物燃料电池在降解有机物的同时，产生了生物电能。目前已有微生物燃料电池处理生活垃圾渗滤液的相关研究，然而，微生物燃料电池更易利用渗滤液中的有机物，对于氮的去除能力有限。

藻类在光和二氧化碳同时存在的情况下通过光合作用固定二氧化碳，产生氧气，并吸收水中的养分用于自身的生长繁殖。与陆生植物相比，微藻的生长速率更快，效率更高，是陆生植物的10～50倍，同时是一种非常有前景的生物燃料。此外，微藻可以适应各种类型的水体生长，同时回收污水中的养分，与第一代和第二代生物燃料的原料相比，微藻具有明显的优势，不与粮食作物竞争有限的土地资源，具备高生物质生产力和高脂质含量。但是利用藻作为生物能源时主要面临收获成本高的问题，采用藻生物膜的形式，将藻固定生长，可以大大降低回收的成本。利用微藻处理污水时，由于其本身的光合作用，不能有效去除有机物，但对氮磷等营养元素的去除取得较好的效果。

目前将微藻与微生物燃料电池耦合用于有机废水的处理，大多将微藻引入MFC阴极室，利用微藻产生的氧气为MFC阴极提供氧气，通过质子交换膜阻止氧气进入阳极室，降低MFC阴极曝气的成本，这些系统中阴极室将充满缓冲溶液或用于培养光合微生物的限定培养基，需要额外的水和营养供应，有文献将污水直接引入阴极室，氮的去除取得较好的效果，而有机物却没有得到有效去除，主要是因为阴极室中，降解效果的实现主要通过微藻的代谢作用，而微藻主要进行自养代谢，将无机碳转化为生物质，并未改善有机碳的去除，并且有文献提到将废水直接送入阴极室将刺激异养细菌的生长，并且有机物可以充当与阴极竞争的电子供体，这将损害MFC的发电功能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微藻和微生物燃料电池的耦合系统及其应用，其将微藻和微生物燃料电池(MFC)通过耗氧生物膜实现耦合，利用耗氧生物膜层消除微藻产生的氧气对MFC阳极产生的抑制，发挥微藻与MFC的协同效果，提高生活垃圾渗滤液中COD和氨氮的降解效果，由此解决现有技术中微藻与微生物燃料电池在单室反应器中耦合不能消除微藻产生的氧气对阳极的抑制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微藻和微生物燃料电池的耦合系统，该耦合系统包括微藻、耗氧生物膜和微生物燃料电池，其中：

所述微生物燃料电池的阳极、阴极和电阻串联于单室反应器中；

所述耗氧生物膜固定在所述阳极和阴极之间，所述耗氧生物膜负载于多孔载体上，所述多孔载体易于微生物生长附着、无生物毒性且能够使溶液透过；所述耗氧生物膜表面附着有好氧菌；

微藻以藻生物膜形式存在，所述藻生物膜负载于微藻载体上，该藻生物膜位于所述耗氧生物膜和所述阴极之间；

除所述藻生物膜所在位置外，其余部分均做遮光处理；

所述藻生物膜为所述微生物燃料电池的阴极提供氧气，并协同所述微生物燃料电池降解有机物；所述耗氧生物膜用于消耗微藻产生的氧气，以消除藻生物膜和微生物燃料电池的拮抗作用并协助降解污染物。

优选地，所述耗氧生物膜消耗所述藻生物膜产生的氧气并使得到达阳极的氧气的浓度低于0.2mg/L。

优选地，所述多孔载体为立体支撑填料。

优选地，所述多孔载体为碳毡、聚丙烯或纤维束。

优选地，所述耗氧生物膜通过如下方法获得：将所述多孔载体接种含有多元微生物的城镇污水或污泥，曝气培养数天，然后采用待处理废水从低浓度到高浓度逐步进行驯化，使得在该多孔载体表面形成能够适应该待处理废水的耗氧生物膜。

优选地，所述藻生物膜通过如下方法获得：用含有微藻的水体接种所述微藻载体，微藻在所述微藻载体上生长，获得藻生物膜。

优选地，所述微藻载体为纤维填料、棉织物、滤纸、泡沫或聚苯乙烯塑料。

优选地，所述藻生物膜以悬浮形式位于所述耗氧生物膜和所述阴极之间。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的耦合系统处理垃圾渗沥液的方法，将耗氧生物膜固定于启动成功的微生物燃料电池阳极和阴极之间，再将负载有藻生物膜的微藻载体置于耗氧生物膜和阴极之间，阳极和耗氧生物膜所在区域用锡箔纸遮光，以待处理垃圾渗滤液为待降解基质，阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接电阻；

在光照条件下，通过微藻、耗氧生物膜、以及微生物燃料电池阳极微生物之间的代谢协同作用，实现垃圾渗沥液中有机物的降解，通过微藻的同化作用，以及耗氧生物膜与微生物燃料电池阴极的厌氧氨氧化、硝化反硝化作用实现氨氮的去除。

优选地，所述阴极为空气阴极。

优选地，所述藻生物膜中含有一种或多种藻类。

优选地，所述藻类为小球藻或栅藻。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明将微生物燃料电池和微藻生物膜通过耗氧生物膜层进行耦合，利用耗氧生物膜层消除微藻产生的氧气对MFC阳极产生的抑制，发挥微藻与MFC的协同效果，提高生活垃圾渗滤液中COD和氨氮的降解效果，节省处理的时间成本，以电能和藻生物质的形式回收生活垃圾渗滤液中的能源。

本发明公开了一种通过耗氧生物膜层将微藻和微生物燃料电池(Microbial fuelcell，MFC)耦合的系统，并将其用于降解生活垃圾渗滤液中COD和氨氮并同时实现电能和藻生物质的回收。将耗氧生物膜层固定在MFC的阳极和阴极之间，藻生物膜位于阴极与耗氧生物膜层之间，通过耗氧生物膜层消除微藻和微生物燃料电池的拮抗作用，发挥两者的协同作用，形成微藻和MFC耦合系统。该系统在12h对10％生活垃圾渗滤液的COD降解效率达到87.47％，氨氮降解率达到81.50％，而单独使用MFC系统12h的COD降解率为33.09％，氨氮降解率为11.24％；单独使用微藻生物膜系统12h的COD降解率为48.49％，氨氮降解率为34.90％。该体系降解生活垃圾渗滤液的效果明显优于传统MFC体系和微藻体系，能解决传统微生物电化学系统氨氮和有机物去除效果差的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中微藻与微生物燃料电池耦合系统的反应装置图主视图；

图2是本发明本发明实施例中微藻与微生物燃料电池耦合系统的反应装置图俯视图；

图3是本发明本发明实施例中微藻与微生物燃料电池耦合系统的遮光处理后的反应装置图主视图；

图4是本发明本发明实施例中微藻与微生物燃料电池耦合系统左视图图；

图5是本发明实施例1中微藻与微生物燃料电池耦合系统和单独使用MFC降解10％生活垃圾渗滤液的产电电压-时间图；

图6是本发明实施例1中微藻与微生物燃料电池耦合系统、单独使用MFC以及单独使用微藻降解10％生活垃圾渗滤液的COD降解效率-时间图；

图7是本发明实施例1中微藻与微生物燃料电池耦合系统、单独使用MFC以及单独使用微藻降解10％生活垃圾渗滤液的氨氮降解效率-时间图；

图8为本发明实施例2中制得的多孔载体以及表面的耗氧生物膜电镜图；

图9为本发明实施例2的耦合系统中阳极微生物电镜图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-螺栓；2-密封垫片；3-阳极；4-电阻；5-塞子；6-负载于多孔载体上的耗氧生物膜；7-负载于微藻载体上的藻生物膜；8-阴极；9-遮光罩；10-取样口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种微藻和微生物燃料电池的耦合系统，该耦合系统包括微藻、耗氧生物膜和微生物燃料电池，其中

所述微生物燃料电池的阳极、阴极和电阻串联置于单室反应器中；

耗氧生物膜固定在所述阳极和阴极之间，所述耗氧生物膜负载于多孔载体上，所述多孔载体易于微生物生长附着、无生物毒性且能够使溶液透过；所述耗氧生物膜表面附着有好氧菌；

微藻以藻生物膜形式存在，所述藻生物膜负载于微藻载体上，该藻生物膜位于所述耗氧生物膜和所述阴极之间；

除所述藻生物膜所在位置外，其余部分均做遮光处理；

所述藻生物膜为所述微生物燃料电池的阴极提供氧气，节省曝气成本，并协同所述微生物燃料电池降解有机物；所述耗氧生物膜用于消耗微藻产生的氧气，以消除藻生物膜和微生物燃料电池的拮抗作用并协助降解污染物，所述拮抗作用为微藻产生的氧气对微生物燃料电池阳极微生物所造成的不利影响。

一些实施例中，所述耗氧生物膜消耗所述藻生物膜产生的氧气并使得到达阳极的氧气的浓度低于0.2mg/L。

一些实施例中，所述多孔载体为低阻力载体，其为传质效果好、经久耐用、取材容易的立体支撑填料，优选为碳毡、聚丙烯，纤维束等。

一些实施例中，所述耗氧生物膜通过如下方法获得：将所述多孔载体接种含有多元微生物的城镇污水或污泥，曝气培养3-5天，然后采用待处理废水从低浓度到高浓度逐步进行驯化，驯化的过程为逐渐增加其耐受能力的过程，使得在该多孔载体表面形成能够适应该待处理废水的耗氧生物膜。优选采用待处理废水进行驯化培养耗氧生物膜的目的是使得在多孔载体表面形成的微生物膜能够适应待处理废水的环境，生长代谢良好。

优选所述多孔载体为经过预处理的多孔载体，所述预处理具体为用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗不低于10分钟。

一些优选实施例中，耗氧生物膜的制备方法为：将经过预处理的多孔载体与营养液混合，采用城镇污水或污泥作为接种源，对该多孔载体按一定比例进行接种，然后在恒温室曝气培养数天；用待处理的垃圾渗沥液置换营养液，每天置换一部分溶液体积，直至全部置换，使得在所述多孔载体表面生成含有好氧菌的微生物膜，获得耗氧生物膜，且该耗氧生物膜表面生成的微生物能够很好地适应该待处理垃圾渗沥液。

营养液可以采用含有微生物生长所需要的大量元素、微量元素和有机物，并且具有一定的酸碱缓冲能力的营养液，比如每升基质溶液含800-1000mLPBS溶液、5-200mL矿物质溶液、1-10mL维生素溶液、0.5-5g乙酸钠。其中乙酸钠为是微生物生长提供有机碳源；PBS的主要成分为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化钾、氯化铵，具有一定的缓冲能力，为微生物提供氮源；维生素溶液和矿物质溶液微生物生长提供必需的生长因子和微量元素。

制备耗氧生物膜时多孔载体与营养液混合，这里营养液仅包含具有酸减缓冲能力的PBS溶液也可。

城镇污水或污泥都是含有多元微生物的自然废水或废物，以含有多元微生物的城镇污水或污泥作为接种源的目的是使接种的微生物种类更加丰富，更有利于筛选到合适的菌种，也可以以待处理废水作为接种源；采用待处理废水置换营养液，使得微生物能够适应待处理的废水，生长良好，更好的发挥效果，最后在载体表面形成代谢能力强的耗氧生物膜层。

本发明的耗氧生物膜里面可能是好氧菌也可能是兼性好氧以及厌氧菌，生物膜有一定的厚度，表面是好氧菌，氧气扩散不到，或者内层氧含量低的时候，会出现兼氧菌，生物膜如果特别厚，氧气在表面就消耗完了，里面就可能是厌氧菌，因此本发明的耗氧生物膜中只要有消耗氧气的微生物存在即可。

一些实施例中，所述藻生物膜通过如下方法获得：用含有微藻的水体接种所述微藻载体，微藻在所述微藻载体上生长，获得藻生物膜。

一些实施例中，所述微藻载体为纤维填料、棉织物、滤纸、泡沫或聚苯乙烯塑料。

一些实施例中，所述藻生物膜以悬浮形式位于所述耗氧生物膜和所述阴极之间。

本发明提供的利用上述的耦合系统处理垃圾渗沥液的方法，包括如下步骤：

将耗氧生物膜固定于启动成功的微生物燃料电池阳极和阴极之间，再将负载有藻生物膜的微藻载体置于耗氧生物膜和阴极之间，阳极和耗氧生物膜所在区域用锡箔纸遮光，以生活垃圾渗滤液为待降解基质，阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接电阻，在光照条件下通过微藻、耗氧生物膜、以及微生物燃料电池阳极微生物之间的代谢协同作用实现垃圾渗沥液中有机物的降解；通过微藻的同化作用，以及耗氧生物膜与微生物燃料电池阴极的厌氧氨氧化，硝化反硝化作用实现氨氮的有效去除。光照可以以Led灯为光源，也可以选择其他日光灯或者自然光源。

本发明所述的微生物燃料电池成功启动所需要的基质溶液同现有技术常规的MFC启动所需的营养基质。阳极材料通常规MFC阳极材料，优选碳毡材料。

一些实施例中，所述阴极为空气阴极。

一些实施例中，所述待处理垃圾渗沥液中COD值不高于6000mg/L，氨氮含量不超过1000mg/L。

一些实施例中，所述藻生物膜中含有一种或多种藻类，所述藻类优选为小球藻或栅藻。

以下为实施例：

对比例1

一种微藻和微生物燃料电池耦合系统，其中不包含耗氧生物膜，并利用该系统进行垃圾渗沥液的处理：

(1)微藻生物膜的培养：以2.40m的棉绳作为微藻的载体，将其放入300mLBG11培养基中进行高压灭菌，冷却后，在超净工作台按照藻液与培养基质为1:10的比例，用事先培养好的藻液对灭菌好的培养基质进行接种，然后将其放入恒温光照培养箱培养3～4天，使基质中的微藻自动富集到棉绳上，并进行生长。

(2)空气阴极制备：称取10g聚偏氟乙烯粉末加入100mL1N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，在磁力搅拌器上以80℃，700r/min，搅拌8h后密封保存，此为10％PVDF溶液。称取300mg活性炭粉，30mg炭黑粉末，加入1mL左右的10％PVDF溶液，混合均匀后，涂负在直径为3.8cm，50目的不锈钢网上，浸没在超纯水中15分钟，再自然风干8h后使用。

(3)微藻与微生物燃料电池耦合系统：采用方型有机玻璃反应器，反应器体积为42cm³，阳极为直径为3cm的碳毡，阴极为上述(2)制备的空气阴极，将直径为3.8cm的不锈钢网夹在垫片上，使其固定在距离阴极2cm的位置，负载有藻生物膜的藻载体放入不锈钢网和空气阴极之间，以Led灯为光源，阳极和耗氧生物膜层所在区域用锡箔纸遮光，以稀释比为20％的生活垃圾渗滤液作为待降解基质。阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接1000Ω电阻。

直接将微藻和MFC耦合，COD和氨氮的最终降解效率分别为73.90％、53.51％。

实施例1

本发明通过以下步骤获得微藻和微生物燃料电池耦合系统，并利用该系统进行垃圾渗沥液的处理：

(1)微藻生物膜的培养：以2.40m的棉绳作为微藻的载体，将其放入300mLBG11培养基中进行高压灭菌，冷却后，在超净工作台按照藻液与培养基质为1:10的比例，用事先培养好的藻液对灭菌好的培养基质进行接种，然后将其放入恒温光照培养箱培养3～4天，使基质中的微藻自动富集到棉绳上，并进行生长。

(2)空气阴极制备：称取10g聚偏氟乙烯粉末加入100mL1N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，在磁力搅拌器上以80℃，700r/min，搅拌8h后密封保存，此为10％PVDF溶液。称取300mg活性炭粉，30mg炭黑粉末，加入1mL左右的10％PVDF溶液，混合均匀后，涂负在直径为3.8cm，50目的不锈钢网上，浸没在超纯水中15分钟，再自然风干8h后使用。

(3)耗氧生物膜培养：将直径为3cm的碳毡分别用丙酮，乙醇、去离子水超声清洗15分钟后放入500mL烧杯中，分别取城镇污水和PBS缓冲溶液150mL混匀进行接种，曝气培养3天后，每天用100mL稀释的生活垃圾渗滤液置换出100mL接种液。

(4)微藻与微生物燃料电池耦合系统：采用方型有机玻璃反应器，反应器体积为42cm³，阳极为直径为3cm的碳毡材料，阴极为上述(2)制备的空气阴极，厚度为2cm的耗氧生物膜层置于阳极和阴极的中间，以Led灯为光源，阳极和耗氧生物膜层所在区域用锡箔纸遮光，以稀释比为10％的生活垃圾渗滤液作为待降解基质，接种源为城镇污水处理厂初沉池出水。阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接1000Ω电阻；在第10h、24h、48h进行取样，检测COD和氨氮的降解效率，并绘制曲线，如图6、图7所示。

图1是本发明实施例中微藻与微生物燃料电池耦合系统的反应装置图主视图；图2是俯视图；图3是遮光处理后的反应装置图主视图；图4是本发明实施例中微藻与微生物燃料电池耦合系统左视图；其中，1-螺栓；2-密封垫片；3-阳极；4-电阻；5-塞子；6-负载于载体上的耗氧生物膜；7-负载于微藻载体上的藻生物膜；8-阴极；9-遮光罩；10-取样口；螺栓是组装反应器的固定元件；密封垫片是用于两个零件中间防止漏水，垫片中间为圆形空腔，不会阻挡反应器中水流动；塞子作用是密封取样口；取样口作用便于采样检测；阳极、阴极、电阻均为MFC的各个组件；耗氧生物膜和藻生物膜均位于单室MFC阳极和阴极之间，耗氧生物膜位于阳极和藻生物藻生物膜之间，目的是消除微藻产生的氧气对阳极产电菌的损害，使阳极的氧气浓度维持在适宜阳极厌氧微生物生长的范围，发挥MFC、藻生物膜和好氧单元的协同作用；遮光罩的作用为避免微藻在阳极和耗氧生物膜生长。

图5是本发明实施例1中微藻与微生物燃料电池耦合系统和单独使用MFC降解10％生活垃圾渗滤液的产电电压-时间图；图6是本发明实施例1中微藻与微生物燃料电池耦合系统、单独使用MFC以及单独使用微藻降解10％生活垃圾渗滤液的COD降解效率-时间图；图7是本发明实施例1中微藻与微生物燃料电池耦合系统、单独使用MFC以及单独使用微藻降解10％生活垃圾渗滤液的氨氮降解效率-时间图。其中，MFC为单独微生物燃料电池降解，OCL为耗氧生物膜，Algae为单独微藻降解。

图5可以发现，在一个反应周期内(将待处理废水加入反应器，运行一段时间，产电等各方面的指标显示该体系的降解基本完成，然后换水，截止到换水再次添加待处理的废水，为一个反应周期)微藻与微生物燃料电池耦合系统的产电电压在12h开始下降，而单独使用MFC处理生活垃圾渗滤液的产电电压下降缓慢，在50h仍维持在0.38V附近，这说明耦合体系中可供微生物利用的物质消耗快，污染物的降解速率快。

图6、图7可以发现，在一个反应周期内，微藻与微生物燃料电池通过耗氧生物膜耦合系统12h的COD降解率为85.58％，氨氮降解率为80.78％，该周期结束后COD降解率为86.02％，氨氮降解率为91.06％。

单独使用MFC系统12h的COD降解率为35.73％，氨氮降解率为11.24％，该周期结束后COD降解率为63.51％，氨氮降解率为16.92％。

单独使用微藻生物膜系统12h的COD降解率为43.09％，氨氮降解率为33.73％，该周期结束后COD降解率为72.74％，氨氮降解率为44.04％。

对比例1中直接将微藻和MFC耦合，COD和氨氮的最终降解效率分别为73.90％、53.51％，其最终去除效率与微藻或MFC单独使用时效率没有明显得到提升，而通过耗氧生物膜耦合的体系降解时间缩短40h，COD和氨氮的降解效率大大提高。

实施例2

本发明通过以下步骤获得微藻和微生物燃料电池耦合系统，并利用该系统进行垃圾渗沥液的处理：

(1)微藻生物膜的培养：以直径为2cm的纤维球作为微藻的载体，将其放入300mLBG11培养基中进行高压灭菌，冷却后，在超净工作台按照藻液与培养基质为1:10的比例，用事先培养好的藻液对灭菌好的培养基质进行接种，然后将其放入恒温光照培养箱培养3～4天，使基质中的微藻自动富集到棉绳上，并进行生长。

(2)空气阴极制备：称取10g聚偏氟乙烯粉末加入100mL1N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，在磁力搅拌器上以80℃，700r/min，搅拌8h后密封保存，此为10％PVDF溶液。称取300mg活性炭粉，30mg炭黑粉末，加入1mL左右的10％PVDF溶液，混合均匀后，涂负在直径为3.8cm，50目的不锈钢网上，浸没在超纯水中15分钟，再自然风干8h后使用。

(3)耗氧生物膜层培养：取10mL生活垃圾渗滤液、50mL城镇污水、100mLPBS缓冲溶液与500mL的烧杯中，混匀，将直径为3cm的碳毡分别用丙酮，乙醇、去离子水超声清洗10分钟后也放入烧杯中，曝气培养3天，以便好氧菌在碳毡上形成生物膜。

(4)微藻与微生物燃料电池耦合系统：采用方型有机玻璃反应器，反应器体积为42cm³，阳极为直径为3cm的碳毡，阴极为上述(2)制备的空气阴极，厚度为2cm的耗氧生物膜层固定已启动成功的微生物燃料电池阳极和阴极之间，再将负载有藻生物膜的藻载体置于耗氧生物膜层和空气阴极之间，以Led灯为光源，阳极和耗氧生物膜层所在区域用锡箔纸遮光，以稀释比为5％的生活垃圾渗滤液作为待降解基质。阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接1000Ω电阻。

图8为本实施例中制得面的耗氧生物膜电镜图；可以看出耗氧生物膜层上的微生物形态多样，种类较为丰富。

图9为阳极微生物电镜图；可以看出微生物为杆状的产电菌。

实施例3

本发明通过以下步骤获得微藻和微生物燃料电池耦合系统，并利用该系统进行垃圾渗沥液的处理：

(1)微藻生物膜的培养：以2.40m的棉绳作为微藻的载体，将其放入300mLBG11培养基中进行高压灭菌，冷却后，在超净工作台按照藻液与培养基质为1:10的比例，用事先培养好的藻液对灭菌好的培养基质进行接种，然后将其放入恒温光照培养箱培养3～4天，使基质中的微藻自动富集到棉绳上，并进行生长。

(2)空气阴极制备：称取10g聚偏氟乙烯粉末加入100mL1N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，在磁力搅拌器上以80℃，700r/min，搅拌8h后密封保存，此为10％PVDF溶液。称取300mg活性炭粉，30mg炭黑粉末，加入1mL左右的10％PVDF溶液，混合均匀后，涂负在直径为3.8cm，50目的不锈钢网上，浸没在超纯水中15分钟，再自然风干8h后使用。

(3)耗氧生物膜层培养：将直径为3cm的碳毡分别用丙酮，乙醇、去离子水超声清洗15分钟后放入500mL烧杯中，分别取城镇污水和PBS缓冲溶液150mL混匀进行接种，曝气培养3天后，每天用100mL稀释的生活垃圾渗滤液置换出100mL接种液10分钟后也放入烧杯中，曝气培养3天，以便好氧菌在碳毡上形成生物膜。

(4)微藻与微生物燃料电池耦合系统：采用方型有机玻璃反应器，反应器体积为42cm³，阳极为直径为3cm的碳毡，阴极为上述(2)制备的空气阴极，厚度为2cm的耗氧生物膜层固定已启动成功的微生物燃料电池阳极和阴极之间，具体可以采用不锈钢网将碳毡载体及耗氧生物膜固定在阴极和阳极中间；有些多孔载体具有一定的立体结构，直径和反应器直径吻合，也可以直接放入反应器中将其固定，比如碳毡载体就可以做成与反应器直径相同，直接置于反应器中固定。再将负载有藻生物膜的藻载体置于耗氧生物膜层和空气阴极之间，以Led灯为光源，阳极和耗氧生物膜层所在区域用锡箔纸遮光，以稀释比为20％的生活垃圾渗滤液作为待降解基质。阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接1000Ω电阻。

通过耗氧生物膜将微藻和微生物燃料电池耦合，该系统运行时，耗氧生物膜层通过好氧生物反应过程阻断微藻光合作用产生的氧气到MFC阳极的传输，消除氧气对阳极产电菌抑制的同时，将生活垃圾渗滤液中的可生物降解的有机物分解为CO₂和H₂O，而MFC中的产电微生物也会通过代谢将生活垃圾渗滤液中的有机物氧化成H⁺和电子进行产电，微藻生长的同时也会利用部分的有机物，通过这三部分作用提高生活垃圾渗滤液中COD的降解效果；耦合体系中氨氮的降解主要是通过微藻的同化吸收作用，一小部分通过耗氧生物膜和MFC的阴极发生厌氧氨氧化、硝化反硝化作用得到去除。该耦合体系可以实现生活垃圾渗滤液中COD和氨氮的快速降解，是一种具有发展前景的新兴的污水处理和新能源技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于处理垃圾渗沥液的微藻和微生物燃料电池的耦合系统，其特征在于，该耦合系统包括微藻、耗氧生物膜和微生物燃料电池，其中：

所述微生物燃料电池的阳极、阴极和电阻串联于单室反应器中；

所述耗氧生物膜固定在所述阳极和阴极之间，所述耗氧生物膜负载于多孔载体上，所述多孔载体易于微生物生长附着、无生物毒性且能够使溶液透过；所述耗氧生物膜表面附着有好氧菌；所述耗氧生物膜通过如下方法获得：将所述多孔载体接种含有多元微生物的城镇污水或污泥，曝气培养3-5天，然后采用待处理废水从低浓度到高浓度逐步进行驯化，使得在该多孔载体表面形成能够适应该待处理废水的耗氧生物膜；

微藻以藻生物膜形式存在，所述藻生物膜负载于微藻载体上，该藻生物膜位于所述耗氧生物膜和所述阴极之间；所述藻生物膜通过如下方法获得：用含有微藻的水体接种所述微藻载体，微藻在所述微藻载体上生长，获得藻生物膜；所述藻生物膜以悬浮形式位于所述耗氧生物膜和所述阴极之间；所述阴极为空气阴极；

除所述藻生物膜所在位置外，其余部分均做遮光处理；

所述藻生物膜为所述微生物燃料电池的阴极提供氧气，并协同所述微生物燃料电池降解有机物；所述耗氧生物膜用于消耗微藻产生的氧气，以消除藻生物膜和微生物燃料电池的拮抗作用并协助降解污染物；

使用时，在光照条件下，通过所述微藻、耗氧生物膜、以及微生物燃料电池阳极微生物之间的代谢协同作用，实现垃圾渗沥液中有机物的降解，通过微藻的同化作用，以及耗氧生物膜与微生物燃料电池阴极的厌氧氨氧化、硝化反硝化作用实现氨氮的去除；

所述垃圾渗沥液中COD值不高于6000mg/L，氨氮含量不超过1000mg/L。

2.如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耗氧生物膜消耗所述藻生物膜产生的氧气并使得到达阳极的氧气的浓度低于0.2mg/L。

3.如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述多孔载体为立体支撑填料。

4.如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述微藻载体为纤维填料、棉织物、滤纸、泡沫或聚苯乙烯塑料。

5.一种利用如权利要求1至4任一项所述的耦合系统处理垃圾渗沥液的方法，其特征在于，将耗氧生物膜固定于启动成功的微生物燃料电池阳极和阴极之间，再将负载有藻生物膜的微藻载体置于耗氧生物膜和阴极之间，阳极和耗氧生物膜所在区域用锡箔纸遮光，以待处理垃圾渗滤液为待降解基质，阴阳两极之间通过钛丝连接，并外接电阻；

在光照条件下，通过微藻、耗氧生物膜、以及微生物燃料电池阳极微生物之间的代谢协同作用，实现垃圾渗沥液中有机物的降解，通过微藻的同化作用，以及耗氧生物膜与微生物燃料电池阴极的厌氧氨氧化、硝化反硝化作用实现氨氮的去除。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述藻生物膜中含有一种或多种藻类。

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